Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Solubilisierung von feinteiligen
Metallen oder Metallverbindungen in wäßrigen, gegebenenfalls salzhaltigen Lösungen.
Unter Metallen und Metallverbindungen wird im Rahmen der Erfindung
ein Werkstoffanteil von natürlichen Erzen verstanden. Dieser umfaßt Edelmetalle,
Edelmetalllegierungen, schwerlösliche Edel- oder Übergangsmetallhalogenide, Edel-
oder Übergangsmetallchalkogenide, Pnictide von Edel- oder Übergangsmetallen, und
sogenannte Sulfosalze.
Unter dem Begriff Halogenide werden dabei erzbildende Chloride, Bromide,
Iodide, zum Beispiel das sogenannte Hornsilber, unter dem Begriff Chalkogenide werden
erzbildende Sulfide, Selenide und Telluride verstanden, wobei ein Teil des Gehaltes
an Sulfid oder Selenid auch durch Oxid ersetzt sein kann. Unter dem Begriff Pnictide
werden Arsenide, Antimonide und Bismutide zusammengefaßt. Der Begriff Sulfosalze
bezieht sich auf die Salze von Edel- oder Übergangsmetallen mit Thiosäuren von Zinn,
Arsen, Antimon oder Wismut.
Da die verschiedenen Erztypen vielfach gemeinsam vorkommen und meistens
einen hohen Anteil an sulfidischen Verbindungen enthalten, ist es sinnvoll, sie
unter dem zusammenfassenden Begriff "vorwiegend sulfidische Erze" weiter abzuhandeln.
Unter dem Begriff Edel- und Übergangsmetalle werden Metalle der Nebengruppen
des periodischen Systems der Elemente verstanden, die bevorzugt stabile Chalkogenide
bilden und in der natürlichen Umgebung vielfach als Chalkogenide vorliegen, insbesondere:
Silber, Gold, Ruthenium, Rhodium, Palladium, Osmium, Iridium und Platin, Eisen,
Cobalt, Nickel, Kupfer, Zink, Cadmium, Quecksilber, Zinn, Blei, Antimon, Bismuth,
Vanadium, Niob, Tantal, Molybdän, Wolfram, Mangan, Rhenium.
Die heute übliche Metallurgie der Edel- und Nichteisenmetalle beruht
auf der Verarbeitung von Erzkonzentraten. In der Gewinnung von Erzkonzentraten auf
der Grundlage vorwiegend sulfidischer Erze stellen Mahlprozeß und Flotation die
technisch anspruchsvollsten und qualitätsbestimmenden Prozessschritte dar. Dies
wird im folgenden beispielhaft für die Herstellung von Kupfererzkonzentraten aus
armen Erzen auf der Grundlage von "porphyry copper deposits" erläutert, es gilt
aber auch für die heute nicht mehr in großem Umfang zur Verfügung stehenden Gangerze
und für Erze aus stratiformen Lagerstätten, z.B. für den sogenannten Kupferschiefer.
Im Zusammenhang mit dem Zugang zu sulfidischen Kupfer- und Molybdänerzen
aus porphyrischen Lagerstätten, die heute im wesentlichen im Tagebau gewonnen werden,
ist auf das Buch "The Geology of Ore Deposits" von John M. Guilbert und Charles
F. Park jr., W. Freeman and Company, New York 1985, Seiten 405–436, zu verweisen.
Wichtige Hinweise finden sich auch bei F.J.Sawkins im Buch "Metal Deposits in Relation
to Plate Tectonics", Seiten 14–22, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg New
York Tokyo 1984. Die Quelle enthält auch Angaben zu den anzutreffenden Mineralisationsformen.
Für den europäischen Kupferschiefer sind die Verhältnisse im Buch
"The Geology of Ore Deposits" auf den Seiten 691–692 beschrieben, ausführlicher
von W. Jung und G. Knitzschke im "Handbook of Stratabound and Stratiform Ore Deposits",
Band 6, Seiten 353–406, K.H. Wolf ed., 1976, und von G. Knitzschke in einem
Artikel "Zur Kupferschieferlagerstätte im südöstlichen Harzvorland (Mansfeld/Sangerhausen)"
in "Beiträge zur Mineralogie und Geologie von Sachsen Anhalt", Seiten 65–93,
Heidelberg 1999.
Es handelt sich in allen Fällen darum, vorwiegend sulfidische Erze,
die im geförderten und gebrochenen Roherz (ROM = run of mine) zu nicht mehr als
3%, oft sogar zu weniger als 1% enthalten sind, durch mechanische Zerkleinerung
und physikalische oder physikochemische Trennung zu einem verhüttungsfähigen Konzentrat
mit einem Gehalt von im allgemeinen mindestens 25 Gew.-% Erz anzureichern. Das Roherz
wird dabei zunächst in einer Brecheranlage zerkleinert und dann in einer Rollen-
und/oder Kugelmühle bis zu einer mittleren Korngröße von 100–125 &mgr;m gemahlen.
Vom Mahlungsgrad und von der Einheitlichkeit des Mahlgutes hängt die erzielbare
Anreicherung und damit der Erfolg des Verfahrens ab. Der Schlüsselschritt des üblichen
Verfahren ist die Flotation.
Das Verfahren der Flotation ist als Trennverfahren für Graphit, Erze
und Kohle seit mehr als 100 Jahren bekannt. Eine kurze Beschreibung des Verfahrens
findet sich in Römpp Chemielexikon, 9. und erweiterte Auflage, p. 1386–1387,
Jürgen Falbe und M. Regitz ed., G.Thieme, Stuttgart 1995.
Die Flotation beruht darauf, daß das in einer wäßrigen Suspension
vorliegende feingemahlene und zusammen mit der Gangart vorliegende Erz nach geeigneter
chemischer Modifizierung der Oberfläche der Erzpartikel durch hydrophobierende Zusätze
an die Oberfläche von Luftblasen angelagert wird, mit diesen aufschwimmt und dann
mechanisch, im Allgemeinen durch Abschäumen, abgetrennt werden kann. Das Absetzen
der Gangart wird durch Bewegung des Flotationsgutes verhindert. Die für die Flotation
vorgesehenen Anlagen bestehen im allgemeinen aus Batterien von hintereinander geschalteten
Behältern, durch die das Roherz, das Flotationsgut und die abgereicherte Gangart
so lange hindurchgeführt wird, bis Auserzungsgrad, Zusammensetzung des Flotationsgutes
und Anreicherung den gestellten Anforderungen entsprechen.
Für die Flotation werden je nach dem Prozeß und den Qualitätsansprüchen
folgende Typen von Hilfsstoffen benötigt.
(1) oberflächenaktive Schäumer (frothers), die die Bildung eines geeigneten
stabilen Schaumes ermöglichen, zum Beispiel höhere Alkohole, oder Tenside,
(2) Sammler (collectors), zum Beispiel Glykolether, Alkalixanthogenate oder
Diaryldithiophosphate, die das Erz an die Gasblasen binden,
(3) Drücker (depressants), die für eine hohe Selektivität bei der sukzessiven
Abtrennung verschiedener Erzkomponenten sorgen, zum Beispiel Alkalicyanide,
(4) ggf. auch Aktivatoren (activators), die die Wirkung von Drückern aufheben
oder nicht flotierbare Erze flotierbar machen.
Zum genaueren Verständnis der technischen Prozesse wird auf die Zusammenfassung
des Standes der Technik in Kirk-Othmer; Encyclopedia of Chemical Technology, Fourth
edition, vol. 11, p.82–107, sowie Third edition, vol. 10, p.523–547,
verwiesen. Weitere Quellen sind in Chemical Reagents an the Mineral Processing Industry,
Society of Mining Engineers, D. Malhotra, W.F. Riggs, eds., Littleton, Co, 1986
angegeben.
Die Flotation ist ein anspruchsvolles, chemisch und technisch aufwendiges,
jedoch flexibles und in vielen Fällen empirisch gut kontrollierbares Anreicherungs-
und Trennverfahren. Es arbeitet mit akzeptablem Einsatz an Hilfschemikalien, es
kann meist ohne Qualitätsverlust im Konzentrat an wechselnde Erzqualitäten angepaßt
werden und ermöglicht die Trennung verschiedener Erze, auch solcher vom oxidischen
Typ, in einem Prozeß. Ein Beispiel dafür ist die Gewinnung von Kupfer- und Molybdänkonzentraten
aus porphyrischen Kupfer- oder Kupfermolybdänerzen in einem integrierten Anreicherungsprozeß,
ein weiteres die Gewinnung von Galenit- und Sphaleritkonzentrat aus einem gemeinsamen
sulfidischen Blei-Zinkerz (differential flotation), ein drittes die Abtrennung von
Molybdänit aus einem Scheelit enthaltenden silikatischen Roherz.
Wesentliche Voraussetzung für die Durchführung der Flotation ist der
wirtschaftliche Zugang zu ausreichenden Brauchwasservorräten, gegebenenfalls durch
Kreislaufführung.
Es ist in der Technologie der Metallgewinnung heute üblich, die Gewinnung
des Roherzes, seine Zerkleinerung (Brechen und Mahlen), die Konzentratherstellung
und die Verhüttung jeweils räumlich zu trennen und die in jeder Verfahrensstufe
anfallenden Güter erforderlichenfalls über weite Strecken zu transportieren. Auch
die vom Roherz getrennte und nicht weiter nutzbare Gangart muß nach Trocknung als
staubfeiner Abfall einer geeigneten Form der Deponierung zugeführt werden. Die für
den Abfall, die sogenannten "tailings", zur Verfügung zu stellenden Absetzflächen
sind wegen der Gefahr einer Verunreinigung der Umgebung durch saure und toxische
Abwässer bezüglich ihrer Bauweise und Standortwahl besonders kritisch.
Bei sulfidischen Kupfererzen besteht die Hauptgefahr darin, daß der
Arsengehalt des nicht restlos abgetrennten Erzes während der Lagerung unter Wasser-
und Sauerstoffzutritt zur Freisetzung von arseniger Säure führt
und ein Übertreten des gelösten Arsens in das Grundwasser zur Folge haben kann.
Diese Gefahr schließt einen extensiven oberirdischen Kupferabbau aus armen Erzen
in einer Kulturlandschaft oder auch in der Nähe menschlicher Siedlungen weitgehend
aus. Die Erhöhung des Auserzungsgrades über die heute üblichen 90 Prozent hinaus
ist daher wünschenswert und grundsätzlich realisierbar, sie stößt jedoch mit den
derzeit üblichen Verfahren an wirtschaftliche Grenzen.
Für den Transport des gemahlenen Roherzes, der gewonnenen Konzentrate
und der ausgeerzten Gangart, welche den Großteil des verarbeiteten Gesteinsvolumens
darstellt, kommen nur Verfahren infrage, die nicht zu einer Belästigung durch übermäßige
Staubbildung führen. Es ist zum Beispiel heute üblich, Konzentrate als bewegte wäßrige
Suspension über weite Strecken durch eine Pipeline zu transportieren und die weitere
Erzaufarbeitung an einem anderen Ort vorzunehmen, der günstigere Voraussetzungen
bietet. Der hohe Wasser- und Energiebedarf, der erforderliche Überwachungsaufwand
und die Störungsanfälligkeit der Anlagen durch Absetzen in strömungsarmen Teiles
des Transportsystems setzen dem Verfahren jedoch enge wirtschaftliche Grenzen.
Ein spezifischer Nachteil der Flotationsverfahren ist der hohe Luftbedarf,
durch den es leicht zu einer Oxidation bestimmter sulfidischer Erze kommt, sodaß
ein Teil des Erzes "gedrückt" wird und nicht mehr ohne weiteres flotierbar ist.
Diesem Ausbeuteverlust kann durch Verwendung von Stickstoff als blasenbildendes
Gas entgegengewirkt werden, allerdings unter Verteuerung des Prozesses.
Ein neueres Verfahren zur Aufarbeitung von Erzen, bei dem viele Nachteile
des Flotationsprozesses vermieden werden, stellt das sogenannte "leaching" dar,
insbesondere in Form des "bio-leaching", bei dem zerkleinertes erzhaltiges Gestein
mit wäßrigen Lösungen behandelt wird, die das Metall in Form gelöster Salze aufnehmen.
Dieser Prozeß kann in der Lagerstätte selbst vorgenommen werden. Der dafür erforderliche
Säuregehalt kann sich entweder von selbst durch bakterielle Prozesse einstellen
oder von vorneherein durch Zugabe von Schwefelsäure eingestellt werden. Die Gewinnung
des Metalls kann z.B. durch Flüssigflüssig-Extraktion, durch Elektrolyse oder durch
Zementation mit einem unedleren Metall, z.B. Zink, erfolgen.
Das Verfahren hat vor allem für oxidische und stark oxidierte sulfidische
Erze Bedeutung, ist jedoch auf Erze mit vorwiegend carbonatischer Gangart kaum anzuwenden.
Bedenken gegen das Verfahren ergeben sich daraus, daß die Sicherung des bewässerten
Erzkörpers gegen Übertritt von Lösungen in das Grundwasser problematisch ist und
daß der Prozeß im bewässerten Erzkörper nicht willkürlich beendet werden kann, weil
sich durch bakterielle Tätigkeit Säure nachbildet. Auch ist das Problem der toxischen
Abwässer keineswegs leichter zu lösen als im konventionellen Erzabbau.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen,
das gegenüber den eingeführten Trenn- und Anreicherungsverfahren für Erze spezifische
Vorteile aufweist.
Die Aufgabe besteht darin, Solubilisate von Metallen und/oder vorwiegend
sulfidischen Erzen zur Verfügung zu stellen, die sich lösungsähnlich verhalten,
gegen Sedimentation weitgehend stabilisiert sind und einen vorteilhaften Prozeß
zur Trennung der Erze von mineralischen Nebenkomponenten ermöglichen.
Die Erfindung zielt nicht auf die Aufarbeitung von carbonatischen
Erzen, zum Beispiel von Erzen auf Basis von Siderit, Smithsonit oder Malachit.
4. Beschreibung der Erfindung.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist sowohl der Konzeption nach als
auch in seinen Bausteinen neu. Das erfindungsgemäße Verfahren beruht darauf, daß
die vorwiegend sulfidischen Erze in wäßriger Suspension mit einem wasserlöslichen
Polymer behandelt und dadurch hydrophiliert werden.
Die Erfindung besteht darin, daß ein vorwiegend sulfidisches Erz,
welches die schwerlöslichen Edelmetalle und Edelmetallhalogenide, Übergangsmetallchalkogenide,
Pnictide und/oder Sulfosalze enthält, in feinverteilter Form mit der wäßrigen Lösung
eines hydrophilen Polymers, das in der Hauptkette mindestens ein metallophiles Strukturelement
mit Polythioethergruppen enthält, behandelt wird. In Form des hierbei gebildeten
Solubilisats kann das vorwiegend sulfidische Erz von begleitendem mineralischem
Nebengestein abgetrennt werden.
Das Verfahren hat Bedeutung für die Herstellung von wäßrigen Dispersionen
edelmetallischer sowie vorwiegend sulfidischer Erze, die eine hohe Stabilität gegen
Sedimentation aufweisen. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens können die entsprechenden
Edelmetalle und vorwiegend sulfidischen Erze aus Gemischen mit anderen mineralischen
Komponenten, für die in wertstofffreier Form der Begriff Gangart üblich ist, in
vorteilhafter Weise abgetrennt werden. Typische Gemische sind natürliche Erze mit
hohem Sulfidgehalt und carbonatischer oder silikatischer Gangart.
Das Verfahren kann daher zur Anreicherung von vorwiegend sulfidischen
Erzen in feinteiliger Form dienen. Die Abtrennung der Nebenkomponenten des Gemisches
kann durch Unterschiede in der Schwerkraft erfolgen, aber auch durch andere physikalische
Trennverfahren, beispielsweise durch Flotation.
Das Verfahren hat auch Bedeutung für die Gewinnung von Proben bei
der Prospektierung von vorwiegend sulfidischen Erzen mit der Kernbohrtechnik, wobei
die Erzanteile daran gehindert werden sollen, sich aus der Spülflüssigkeit zu rasch
abzusetzen.
Das Verfahren hat des weiteren Bedeutung für den erleichterten Transport
von Erzkonzentraten über Rohrleitungen in wäßriger Suspension.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat auch Bedeutung für das übliche
Verfahren zur Gewinnung von Erzkonzentraten durch Flotation, wobei bestimmte Erzanteile
durch bevorzugte Bindung an das Polymer dem Flotationsprozeß entzogen werden können.
Die erfindungsgemäßen Polymeren können im Flotationsprozeß als "depressants" für
edelmetallische oder vorwiegend sulfidische Erzanteile dienen. Das Verfahren bietet
z.B. die Möglichkeit, wirtschaftlich interessante nichtsulfidische Hauptkomponenten
eines Erzes, zum Beispiel Fluorit oder Scheelit, durch Flotation abzutrennen, ohne
daß wirtschaftlich interessante sulfidische Erzbestandteile, z.B. Molybdänit, in
unerwünschtem Ausmaß in das Flotationsgut übergehen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es auch, aus einem komplexen
Erz mit hohem nichtsulfidischen Wertstoffanteil durch Flotation mit geeigneten Sammlern
die nichtsulfidischen Wertstoffe und durch Fällen, Dekantieren oder Zentrifugieren
die solubilisierten Anteile der vorwiegend sulfidischen Erze zu gewinnen. Es ist
für die Gewinnung von Konzentraten teurer und niedrig konzentrierter Erze besonders
wertvoll.
Das neue Verfahren bietet grundsätzlich auch die Möglichkeit, die
Förderung des Roherzes, den Anreicherungsprozeß mit dem Mahlvorgang und dem Solubilisierungsprozeß,
und die Entsorgung der Gangart im Bergwerk vorzunehmen und nur das gewonnene Erzkonzentrat
in solubilisierter Form auszubringen. Die Isolierung des Konzentrates und die weiteren
Verarbeitungsschritte können dann in vom Bergwerk getrennten Anlagen stattfinden.
Die rückgewonnene Polymerlösung kann nach Ergänzung der Verluste erneut für die
Aufarbeitung eingesetzt werden. Die sogenannten "tailings" können z.B. nach Verfestigung
durch zugesetzten Zement direkt in einem ausgeerzten Teil des Bergwerkes deponiert
werden.
Es ist bei Verwendung von Förderautomaten, die den Erzkörper am Abbauort
bis zu einer aufarbeitungsfähigen Teilchengröße zerkleinern, sogar grundsätzlich
möglich, ein vorwiegend sulfidisches Erz unter Wasser abzubauen. Der Abbau kann
zum Beispiel mit starken Ultraschall- oder Stoßwellensendern durchgeführt werden.
Dabei ist der Abbauort vom umgebenden Wasserkörper zu trennen und mit der solubilisierenden
Polymerlösung zu versorgen, das durch Abpumpen geförderte und durch die erfindungsgemäße
Solubilisierung vom Nebengestein getrennte Erz auszubringen. Es ist somit möglich,
Erz auch aus einem gefluteten Bergwerk zu fördern und die Gangart dem ausgeerzten
Bergbau an geeigneter Stelle wieder zuzuführen. Nach diesem Prinzip kann vorwiegend
sulfidisches Erz grundsätzlich sogar am Meeresboden gefördert werden.
4.1. Die Polymeren.
Die als Solubilisierungsmittel dienenden Polymeren lassen sich allgemein
durch die Formel A darstellen:
A: PTE-(Pol)n
Darin ist PTE eine mindestens 3 Thioethergruppen umfassende metallophile
Polythioethergruppe, Pol ein n-fach daran gebundenes wesentlich hydrophiles Polymergerüst,
und n eine ganze Zahl größer/gleich 1.
Für das Verfahren besonders geeignete Polythioethergruppen sind von
mindestens zwei Thioethergruppen enthaltenden Thioetherthiolen TE-(SH)n
abgeleitet und entsprechen den Formeln I bis III. Darin ist n eine
ganze Zahl größer/gleich 1.
In den Formeln I, II und III bedeuten:
R1 bis R4 H, Alkyl oder Aryl,
R5 einen n-wertigen organischen Rest, der ggf. einen Aryl- oder Arylenrest,
Heteroatome oder Heteroatome und/oder zusätzliche funktionelle Gruppen und/oder
weitere Thioethergruppen enthalten kann.
n: eine ganze Zahl größer/gleich 1.
Ein durch R1 bis R4 dargestellter Alkylrest
ist beispielsweise ein Niederalkylrest mit bis zu 4 C-Atomen, beispielsweise Methyl
oder Ethyl. Zwei der Reste R1 bis R4 können auch gemeinsam
eine Alkylengruppe mit 3–6 C-Atomen bilden, die zusammen mit dem oder den
C-Atomen, an die sie gebunden sind, einen carbocyclischen Ring bilden beispielsweise
Methyl oder Ethyl. Zwei der Reste können auch gemeinsam eine Alkylengruppe mit 3–6
C-Atomen bilden, die zusammen mit dem oder den C-Atomen, an die sie gebunden ist,
einen carbocylischen Ring bilden.
Das erfindungsgemäß verwendete Polymer ist hydrophil dadurch, daß
es zu mindestens 40 mol-Prozent, bezogen auf das Gesamtmonomer, aus hydrophilen
Acrylamideinheiten besteht und gegebenenfalls zu 0–40 mol-% weitere hydrophile
Monomereinheiten enthält, die bevorzugt eine saure Gruppe tragen. Darüberhinaus
kann es 0 bis 30 mol-% minderhydrophile oder hydrophobe Monomereinheiten enthalten,
durch die beispielsweise die Temperaturabhängigkeit der Löslichkeit beeinflußt wird.
Der Begriff Acrylamideinheiten bezieht sich auf Acrylamid und/oder
Methacrylamid.
Der Begriff weitere hydrophile Monomereinheiten bezieht sich auf 2-Hydroxyethylacrylat,
2-Hydroxypropylacrylat, Acrylsäwe, Methacrylsäure, dimere Methacrylsäure, Fumarsäure,
Maleinsäure, Citraconsäure, Itaconsäure, deren Monoester oder Monoamide, 2-Acryloyloxyethansulfonsäure
und deren Salze, 2-Acrylamido-2-methylpropansulfonsäure und deren Salze, Vinylphosphonsäure
und deren Salze. Er bezieht sich auch auf cyclische Imide der Maleinsäure, Citraconsäure
und Itaconsäure.
Der Ausdruck minderhydrophile Monomereinheiten bezieht sich auf Acrylnitril,
1-Vinylimidazol, 1-Vinyl-2-methylimidazol, N-Vinylpyrrolidon, N-Vinylbutyrolactam,
N-Vinylcaprolactam, 2-Vinylpyridin, 4-Vinylpyridin, 2-Methyl-5-vinylpyridin, Maleinsäuremonobutylester,
N-t-Butylacrylamid, N-t-Octylacrylamid, aber auch andere N-Alkylacrylamide, die
beispielsweise in der Alkylgruppe mindestens eine aliphatisch gebundene Thioethergruppe
enthalten.
Der Ausdruck hydrophobe Monomereinheiten bezieht sich beispielsweise
auf folgende Monomere: Ethylacrylat, Butylacrylat, Methylmethacrylat, Ethylmethacrylat,
Styrol, Methacrylnitril, Maleinsäurediethylester, -dibutylester, -dioctylester,
Fumarsäurediethylester, Itaconsäuredibutylester.
Der Einbau des metallophilen Polythioether-Strukturelementes erfolgt
bevorzugt durch ein radikalisches Polymerisationsverfahren. Die von einem Thioetherthiol
TE-(SH)n abgeleitete Polythioethergrupppe wird durch eine Kettenübertragung
über Thiolradikale eingebaut.
Die Polymeren sind nach Zusammensetzung und Kettenlänge nicht einheitlich,
sie zeigen auch kein hohes mittleres Molekulargewicht. Sie enthalten pro Molekül
im allgemeinen eine metallophile Polythioethereinheit TE und – pro darin ursprünglich
enthaltener SH-Gruppe – ungefähr eine Copolymerkette. Es ist nicht bekannt,
ob und in welchem Ausmaß durch die radikalische Startreaktion Disulfidbrücken gebildet
werden, durch die es zum Einbau von mehr als einer Polythioethergruppe
pro Polymermolekül kommen kann.
Besonders geeignete Polymere enthalten Acrylamid als neutrales Comonomer
sowie Acrylsäure oder Methacrylsäure als saure Comonomere. Es ist nicht bekannt,
ob der Einbau der Monomeren in die rasch wachsende Kette statistisch erfolgt, man
kann jedoch annehmen, daß zumindest in der ersten Phase der Polymerisation ein diffusionskontrollierter
Verbrauch der Monomeren in der Lösung erfolgt. Auch über die Einheitlichkeit der
Copolymeren ist nichts bekannt.
Geeignete Polymere sind im pH-Bereich 5–10 wasserlöslich. Es
ist davon auszugehen, daß das Polymer eine netzmittelähnliche Funktion ausübt und
dadurch zwar solubilisierend, jedoch nicht in nennenswertem Ausmaß viskositätserhöhend
wirkt.
Ein Verfahren, nach dem erfindungsgemäße Polymere hergestellt werden,
sowie eine große Anzahl von Polymeren, die den Anforderungen der Erfindung entsprechen,
ist in DE 2944092 A1 beschrieben.
DE 2944092 A1 enthält eine eingehende
Beschreibung der Verfahrensschritte, nach denen die Polymeren durch Copolymerisation
von äthylenisch ungesättigten Monomeren in Gegenwart eines radikalischen Initiators
und mindestens eines oben genannten Thioetherthiols TE-(SH)n in einem
Alkohol als Lösungsmittel hergestellt werden. Die Polymerisation wird bevorzugt
unter Rückflußbedingungen durchgeführt, d.h. bevorzugt bei Temperaturen zwischen
75 und 100°C. Die Polymeren fallen bei der Herstellung durch Fällungscopolymerisation
in hoher Ausbeute aus, sofern der Gehalt an hydrophobem Monomer 10–15 mol-%,
bezogen auf Gesamtmonomer, nicht übersteigt, und werden als gut wasserlösliche und
leicht zu trocknende Pulver erhalten. Die Polymeren sind mithin als chemische Substanzen
zum Teil Stand der Technik.
Als Polymerisationsinitiatoren werden bevorzugt organische Peroxide
oder aliphatische Azoverbindungen verwendet. Geeignete Initiatoren sind t-Butylperoctanoat,
Azoisobuttersäurenitril, Dibenzoylperoxid. Die Polymerisation wird unter Ausschluß
von Sauerstoff durchgeführt, bevorzugt in einer Reinstickstoffatmosphäre.
Die Polymerisation kann im Batch-Verfahren, aber auch halbkontinuierlich
durchgeführt werden, wobei der Initiator vorgelegt, dem Monomergemisch zugegeben
oder separat zugeführt wird. Das Thioetherthiol TE-(SH)n wird dem Ansatz
bevorzugt zusammen mit den Monomeren zugeführt. Die Einbaurate des angebotenen Schwefels
in das Polymer beträgt im allgemeinen 90–100% des berechneten Wertes, sie
kann wegen des unvollständigen Einbaues eines Monomeren mit hohem Massenanteil in
das Copolymer auch scheinbar höher liegen. In der Praxis erweisen sich Polymere
mit einem Schwefelgehalt von 2–10 Gew.-% als besonders vorteilhaft. Die erfindungsgemäßen
Thioetherthiole enthalten mindestens 1 Thiolgruppe, mindestens zwei Thioethergruppen
und darüberhinaus gegebenenfalls auch weitere Heteroatome und/oder Heteroatomgruppen.
Ein bevorzugtes Herstellungsverfahren für die meist schwerflüchtigen
oder nichtflüchtigen Thioetherthiole ist beschrieben in US
4355185. Es liefert besonders saubere und einheitliche Bis- und Polythiole.
Ein weiteres Verfahren besteht beispielsweise darin, daß Bisthiole
oder Polythiole mit dem Unterschuß eines bifuntionellen oder polyfunktionellen Alkylierungsmittels
so umgesetzt werden, daß die gebildeten Oligomeren Bis- oder Polythiolcharakter
haben. Dies trifft zum Beispiel für die Bisthiole BT-7 bis BT-9 der untenstehenden
Liste zu, ebenso für das Polythioetherpolythiol PT-1.
Eine Liste bevorzugter, im Rahmen der Erfindung nutzbarer Thioetherthiole
findet sich im Anschluß. Jede Thiolfunktion ist dabei als Startpunkt für das Wachstum
einer Copolymerkette anzusehen.
Eine Liste besonders vorteilhaft zusammengesetzter Copolymergerüste,
die über die Molverhältnisse a, b und c der eingesetzten Comonomeren definiert sind
und – vor allem bei nicht optimaler Polymerisation – von der tatsächlich
gefundenen Zusammensetzung etwas abweichen können, ist daran anschließend angegeben.
Die Angaben sind jedoch normativ. Man kann davon ausgehen, daß die Copolymeren ein
Polythioethersegment pro Polymermolekül enthalten. Abweichungen können sich auch
daraus ergeben, daß einerseits Polymere mit jeweils einer noch nicht abreagierten
Thiolgruppe radikalisch kombinieren, andererseits Polymere gebildet werden, deren
Polymerisation ohne Eingreifen eines Kettenüberträgers direkt über den Initiator
gestartet wurde. Unterschiede in der Polymerzusammensetzung können sich also auch
durch die Wahl des Initiators ergeben. PolythioetherthioleBisthioleTristhiole und TetrakisthiolePolythioetherpolythiole
In den nachstehend angegebenen Polymergerüsten beziehen sich die Angaben
in den Zahlenindices a, b, c auf die Molverhältnisse der eingesetzten Monomeren.
In der nachstehenden Liste erfindungsgemäßer Polymerer bezieht sich
die Angabe des Polymerisationsinitiators entweder auf t-Butylperoctoat (t-BPO) oder
auf Azoisobuttersäurenitril (AIBN).
Nach dem in DE 2944092 A1
beschriebenen Verfahren erhaltene Polymere sind als metallophile Schutzkolloide
für Silberhalogenid und kolloidale Edelmetallpartikel bekannt. Sie lassen sich bei
der Fällung von lichtempfindlichen Silberhalogenidemulsionen als Peptisationsmittel
verwenden. Ihre Aufgabe ist, die Agglomeration des Silberhalogenids während der
Fällung zu verhindern und das Kristallwachstum der gebildeten "Emulsionskörner"
zu regeln. Darüberhinaus beeinflussen sie im Zug der Herstellung fotografischer
Silberhalogenidemulsionen deren Entsalzungs- und Redispergierverhalten. Die Mikrokristalle
von so erhaltenen photographischen Silberhalogenidemulsionen sind im allgemeinen
nicht größer als 1 &mgr;m, sie erreichen ausnahmsweise Größen von 10 &mgr;m.
4.2. Das Solubilisierungsverfahren.
Es ist wegen der Teilchengrößenunterschiede zwischen Silberhalogenidemulsionen
einerseits und feingemahlenen vorwiegend sulfidischen Erzen andererseits überraschend,
daß sich die in DE 2944092 A1 beschriebenen
schwefelhaltigen Copolymeren für die Solubilisierung des metallischen und/oder gebundenen
Anteils von fein gemahlenen vorwiegend sulfidischen Erzen eignen, wodurch eine einfache
Trennung von Erz und Gangart möglich wird.
Die Trennung von solubilisiertem Erz und Gangart ist ein mehrstufiger
Prozeß. Die Zugabe des erfindungsgemäßen solubilisierenden Polymeren erfolgt in
einem frühen Schritt, in der Regel am Anfang des Trennprozesses, mit dem das vorwiegend
sulfidische Erz angereichert wird. Die Verarbeitungstemperatur liegt in der Regel
zwischen 0°C und 100°C, entsprechend dem wäßrigen Verarbeitungsmedium.
In einer besonderen Ausführungsform des Verfahrens wird bereits die
Feinmahlung des Roherzes in wäßriger Suspension in Gegenwart eines erfindungsgemäßen
solubilisierenden Polymeren durchgeführt, wodurch sich eine besonders intensive
Hydrophilierung der Oberfläche der Erzpartikel bewerkstelligen läßt, nicht zuletzt
durch Unterdrückung einer Anoxidation. Anschließend läßt man die Gangart absitzen
und dekantiert oder zentrifugiert das Solubilisat. Das im ersten Schritt abgetrennte
und meist noch Gangart enthaltende Erz kann dem Solubilisierungsschritt ein zweites
Mal unterzogen werden, ebenso kann in der Gangart zurückgehaltenes Erz durch weitere
Solubilisierungsbehandlungen erfaßt und abgetrennt werden, gegebenenfalls unter
Zugabe von weiterem solubilisierendem Polymer.
Die Mengenverhältnisse zwischen dem solubilisierenden Polymer und
dem überwiegend sulfidischen Erz sind nicht kritisch. Sie liegen zwischen 0,05 und
5. Höhere Anteile an Polymer sind aus wirtschaftlichen Gründen nicht sinnvoll und
können die Trennung von Erz und Polymer in einem späten Verfahrensschritt erschweren.
Ein besonders bevorzugter Bereich der Mengenverhältnisse liegt zwischen 0,2 und
1.
Aus der erzhaltigen wäßrigen Dispersion kann das Solubilisat aus Erz
und Polymer beispielsweise durch Einstellen des pH-Wertes auf niedrigere Werte ausgeflockt
und danach durch Wiederaufnehmen in Wasser oder einem wäßrigen Medium mit definiertem
pH redispergiert werden. Dabei kann auch eine Trennung von Polymer und Erz erzwungen
werden, zum Beispiel durch Elektrolytzugabe, Filtration, Zentrifugieren oder Sedimentation
über längere Zeit. Das zurückbleibende Erzkonzentrat kann wie üblich getrocknet
und pelletiert werden.
5. Beispiele5.1. Herstellungsbeispiel.Polymer 1.4
900 ml t-Butanol und 100 ml Chlorbenzol werden durch Aufkochen unter
Reinstickstoff von darin gelöster Luft befreit.
300 ml des entgasten Lösungsmittels werden zusammen mit 0,14 g t-Butylperoctoat
in einem mit Stickstoff begasten 2000ml-Vierhalskolben mit Rührer, Thermometer und
zwei Tropftrichtern vorgelegt und zum Rückfloß erhitzt. Unter Rückfloß und Rühren
läßt man über 2 Stunden die entgaste Lösung von 49,7 g Acrylamid, 25,8 g frisch
destillierter Methacrylsäure und 4,3 g BT-1 (3,6-Dithiaoctan-1,8-dithiol) in 650
ml der entgasten t-Butanol-Chlorbenzolmischung und gleichzeitig 0,26 g t-Butylperoctoat
in 50 ml t-Butanol-Chlorbenzolmischung so zulaufen, daß das Gemisch am Sieden bleibt.
Nach etwa 5 bis 15 Minuten wird die Abscheidung des Polymeren erkennbar. Nach beendeter
Zugabe rührt man unter Rückfloß 3 Stunden weiter.
Man läßt auf Raumtemperatur abkühlen und saugt das abgeschiedene Polymer
ab. Man wäscht 3 mal mit je 200 ml warmem t-Butanol nach und trocknet im Vakuum
bei 50°C bis zur Gewichtskonstanz. Man erhält 70 g eines weißen Pulvers, das
mit schwach milchiger Trübung in demineralisiertem Wasser von pH = 6 löslich ist.
5.2. Anwendung: Herstellung eines Silberkonzentrates aus
Hornsilber.
2 g eines hornsilberführenden Sammlerstückes (Herkunft sächsisches
Erzgebirge) werden zerkleinert, in einem Porzellanmörser gepulvert und in einer
Kugelmühle staubfein vermahlen. Das Mahlgut weist einen Silbergehalt von 0,85 Gew.-%
auf. Es wird mit 80 ml einer auf pH = 7 gestellten 2-prozentigen Lösung von Polymer
1.4 aufgenommen und bei Raumtemperatur 10 min gerührt. Man läßt 20 min stehen, dekantiert
und wiederholt die Solubilisierung zweimal mit jeweils weiteren 60 ml Polymerlösung.
Die vereinigten Polymerlösungen werden mit verdünnter Salzsäure angesäuert und absitzen
gelassen. Man gießt die wäßrige Phase ab, redispergiert mit 1-prozentiger Natriumcarbonatlösung,
zentrifugiert, wäscht das dunkle abgesetzte Konzentrat mit heißem Wasser und zentrifugiert
erneut. Man erhält nach Trocknung 405 mg eines Konzentrates, das einen Silbergehalt
von 3,8 Gew.-% aufweist.
5.3. Anwendung: Herstellung eines Kupferkonzentrates aus
Kupferschiefer durch Solubilisierung.
Ein Handstück aus silberhaltigem Mansfelder Kupferschiefer (220g,
Haldenfund mit deutlich erkennbarem "Kupferlineal") wird zerkleinert, in einem Porzellanmörser
gepulvert und in einer Kugelmühle feingemahlen. Das Mahlgut wird durch ein Sieb
mit 150 mesh gesiebt. Es weist einen naßchemisch bestimmten Gehalt von 2,8 Gew.-%
Kupfer auf.
10 Gramm davon werden unmittelbar nach dem Vermahlen in 90 ml einer
auf pH 7,5 gestellten 2-prozentigen Lösung von Polymer Nr. 1.4 aus (Beispiel) 5.1
bei 40°C eingetragen und unter Stickstoff 1 Stunde gerührt. Anschließend wird
30 Minuten stehengelassen und vom abgesetzten Material dekantiert. Die Prozedur
wird mit weiteren 80 ml Polymerlösung wiederholt.
Nach erfolgter Dekantation werden die vereinigten schwarzen Solubilisate
durch Zugabe von 5-prozentiger Salzsäure auf pH = 3 gestellt und ausgeflockt, Man
nimmt mit 50 ml Wasser auf, stellt mit verdünnter Natriumcarbonatlösung auf pH =
5, zentrifugiert, gießt das überstehende Wasser ab, filtriert, wäscht mit 10 ml
heißem Wasser und Isopropanol nach und trocknet. Man erhält 0,75 g eines schwarzen
Konzentrates mit einem naßchemisch bestimmten Gehalt von 30 Gew. Gew.-% Kupfer und
0,05 Gew. Gew.-% Silber.
Die Wiederholung des Versuchs mit den Lösungen der Polymeren 2.1,
2.2, 2.3, 2.12 und 3.5 gibt in Ausbeute und Anreicherung vergleichbare Ergebnisse.
5.4. Vergleichsversuch: Herstellung eines Kupferkonzentrates
durch Flotation (Stand der Technik):
In einem 100 ml Becherglas werden 10 g Mahlgut in wäßriger Suspension
mit 20 Gew.-% Festkörpergehalt durch Einblasen von Stickstoff über eine bis zum
Boden reichende Glasfritte unter Zusatz von 0,2 g Dodecanol und 0,2g Kalium-isopropylxanthogenat
der Flotation unterworfen. Das als Schaum aufschwimmende Flotationsgut wird mit
Fließpapier abgestreift, in 50 ml Wasser übergespült und nach Zugabe von weiteren
0,2g Kalium-isopropylxanthogenat und 0,1g Dodecanol einer zweiten Flotation unterworfen.
Man überführt das gesammelte Flotationsgut auf ein Filter, wäscht mit heißem Wasser
und Ethanol und trocknet. Man erhält 0,95 g Konzentrat mit einem naßchemisch bestimmten
Kupfergehalt von 24 Gew. Gew.-% Kupfer.
Das heißt: die polymergestützte Solubilisierung führt bei vergleichbarem
Arbeitsaufwand gegenüber der Flotation zu einem höheren Anreicherungsgrad.
Beschreibung der Erfindung:
Die Behandlung von feingemahlenen vorwiegend sulfidischen Erzen mit
wäßrigen Lösungen von hydrophilen Polymeren, welche metallophile Thioethersegmente
enthalten und der Formel PTE-(Pol)n entsprechen, ermöglicht die Herstellung
von Solubilisaten, die hydrophilierte Erzpartikel enthalten und vom nicht hydrophilierten
Begleitgestein auf einfache Weise getrennt werden können.
Beansprucht wird die Abtrennung feingemahlener vorwiegend sulfidischer
Erze, deren Erzanteil aus Übergangs- bzw. Edelmetallen, Übergangs- bzw. Edelmetallchalkogeniden,
Übergangs- bzw. Edelmetallhalogeniden, Übergangs- bzw. Edelmetallpnictiden und/oder
Sulfosalzen besteht, vom Nebengestein durch Solublisierung des Erzanteils mittels
wäßriger Lösungen hydrophiler Polymerer PTE-(Pol)n.
In den Polymeren enthält PTE mindestens 3 Thioethergruppen, ist Pol
eine n-fach aufgewachsene hydrophile Polymerkette und n eine ganze Zahl größer/gleich
1.
Bevorzugte Polymere enthalten als metallophile Strukturelemente Thioethersegmente,
die aus einem Thioetherthiol TE'-(SH)n hervorgegangen sind. Sie sind
aus der deutschen Offenlegungsschrift DE
2,944,092 A1 bekannt und entsprechen im wesentlichen der Formel PTE-(Pol)n
Bevorzugte Thioetherthiole TE'-(SH)n entsprechen den Formeln I bis III
und tragen n ≥ 1 Thiolgruppen. Die Substituenten R1 bis R5
stehen für H, Alkyl, Aryl, jeweils paarweise auch
für Alkylen. R5 kann auch Heteroatome und/oder funktionelle Gruppen tragen.
Die Polymerketten bestehen überwiegend aus hydrophilen Monomereinheiten,
wovon mindestens 40 mol-% auf Acrylamid und/oder Methacrylamid entfallen, sie enthalten
ggf. auch bis zu 40 mol-% andere hydrohile Monomere, die bevorzugt saure Gruppen
tragen.
Die Herstellung der Polymeren aus dem Thioetherthiol TE'-(SH)n
und den Monomeren erfolgt durch radikalische Polymerisation unter Bedingungen, bei
denen die Kettenübertragung begünstigt ist.
Das Verfahren ermöglicht die Herstellung von Erzkonzentraten aus vorwiegend
sulfidischen Erzen auf einem neuen vorteilhaften Weg.
Anspruch[de]
Verfahren zum Abtrennen vorwiegend sulfidischer Erze von mineralischem
Nebengestein, dadurch gekennzeichnet, daß das nebengesteinshaltige Roherz
gemahlen und in wäßriger Suspension mit einer wäßrigen Lösung eines hydrophilen
und metallophilen Polymers behandelt wird, das pro Molekül ein mindestens drei Thioethergruppen
umfassendes Polythioetherstrukturelement enthält, wobei das vorwiegend sulfidische
Erz solubilisiert wird, und daß das Solubilisat von dem nicht solubilisierten Nebengestein
abgetrennt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß als hydrophiles
und metallophiles Polymer ein Polymer verwendet wird, das durch Polymerisation eines
Monomeren oder Monomergemisches, welches zu mindestens 40 mol-% aus Acrylamid oder
Methacrylamid besteht, in Gegenwart
– mindestens eines radikalischen Initiators und
– mindestens eines mindestens zwei Thioethergruppen enthaltenden Thioetherthiols
TE-(SH)n, worin n eine ganze Zahl größer/gleich 1 ist, erhältlich ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zur Herstellung
des Polymeren eingesetzte Monomerengemisch 0–40 mol-% eines Monomeren mit
einer sauren Gruppe enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet,
daß das verwendete Thioetherthiol einer der nachstehenden Formeln I, II oder III
entspricht,
worin bedeuten:
R1 bis R4: H, Alkyl, Aryl;
R5: einen n-wertigen organischen Rest, der ggf. einen Aryl- oder Arylenrest,
Heteroatome und/oder zusätzliche funktionelle Gruppen und/oder weitere Thioethergruppen
enthalten kann; n: eine ganze Zahl größer/gleich 1.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet,
daß die Solubilisierung in Gegenwart von 5 bis 500 Gew.-% an Polymer, bezogen auf
das zu solubilisierende vorwiegend sulfidische Erz, vorgenommen wird.
Solubilisat eines überwiegend sulfidischen Erzes, das gemäß einem der
Ansprüche 1 bis 4 unter Verwendung eines der dort beschriebenen hydrophilen Polymers
hergestellt worden ist.
Konzentrat eines überwiegend sulfidischen Erzes, das durch Konzentrieren
eines Solubilisates gemäß Anspruch 6 erhalten worden ist.